興隆水利樞紐下橫圍堰土工包應(yīng)急封堵設(shè)計研究

摘要：

為解決具有擋、泄水功能土工包封堵堰體的設(shè)計難點，以土工包在興隆水利樞紐下游橫向圍堰上應(yīng)急筑堤的設(shè)計為例，采用三維數(shù)值模擬計算方法并結(jié)合過魚季節(jié)魚類洄游的要求，分析了封堵堰體高程、上下游水頭差、缺口段流速及封堵堰體穩(wěn)定計算等主要技術(shù)參數(shù)選取的設(shè)計思路和方法。結(jié)果表明：推薦防滲墻缺口段應(yīng)急封堵高程為27.80 m。工程完工后經(jīng)歷漢江秋汛，土工包封堵堰體基本完好無損。土工包堰體的泄水功能具有設(shè)計創(chuàng)新性和工程實用性。研究成果可為類似工程的設(shè)計提供技術(shù)支撐和應(yīng)用示范。

關(guān)鍵詞：

土工包筑堤； 三維數(shù)值模擬； 封堵堰體； 興隆水利樞紐工程

中圖法分類號：TV551

文獻標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.07.008

文章編號：1006-0081（2024）07-0046-07

0 引 言

土工包筑堤技術(shù)是將大型“砂袋”拋填在水深流急的缺口中，對缺口進行封堵。該方法具有施工速度快、柔性大，適應(yīng)河床變形性能好，工程環(huán)保，節(jié)省工程費用等方面的優(yōu)點，被廣泛用于圍堰、圍海造地、海岸防護以及防波堤、丁壩和砂丘的構(gòu)筑［1-2］。然而，這些土工包堰體基本都是只具有擋水功能，少有泄水功能，且大部分文獻資料都偏重于介紹土工包堰體的施工過程，對具有擋、泄水功能的土工包封堵堰體設(shè)計中的難點，如土工包封堵堰體的高程及上下游水頭差、缺口段流速及封堵堰體的穩(wěn)定分析等鮮見論述。本文采用三維數(shù)值模擬計算方法，結(jié)合過魚季節(jié)魚類洄游的要求，對具有擋、泄水功能的土工包筑堤技術(shù)難點做了較為詳盡的論述，研究成果可為類似工程的設(shè)計提供技術(shù)支撐和應(yīng)用示范。

1 工程概況

興隆水利樞紐位于漢江下游潛江、天門市境內(nèi)，上距丹江口樞紐378.3 km，下距河口273.7 km，是南水北調(diào)中線工程漢江中下游4項治理工程之一。工程開發(fā)任務(wù)以灌溉、航運為主，兼顧發(fā)電。興隆水利樞紐由攔河水閘、船閘、電站廠房、魚道、兩岸灘地過流段及其上部的連接交通橋等建筑物組成。2014年，興隆水利樞紐投入運行。

興隆水利樞紐基礎(chǔ)為深厚粉細砂層，極易產(chǎn)生沖刷和滲透破壞，自蓄水運用以來，下游河床明顯下切［3-4］，同流量下水位較原設(shè)計條件下降較大。2022年夏秋干旱期間，樞紐下游水位進一步下降，船閘引航道水深、門檻水深不足，影響了通航效率及安全。同時，還存在電站尾水位低于機組要求的最低設(shè)計水位，以及魚道［5-6］下游進魚口底板頂高程高于枯水期下游水位等不足。對上述亟需解決的問題，經(jīng)專家論證，采取對電站和泄水閘下游的下游橫向圍堰防滲墻缺口段進行封堵的工程措施。

樞紐下游橫向圍堰按原設(shè)計要求應(yīng)拆除至29.50 m高程，但下橫圍堰防滲墻中間長164 m范圍內(nèi)，防滲墻頂高程僅為14.78 m，在該范圍內(nèi)形成一個左右側(cè)和上游側(cè)高、中間及下游側(cè)低的“溜槽”。從整體看，下橫圍堰防滲墻在該段形成一個缺口，缺口地段基本是下游主河床的位置，使得枯水期下游水體基本從缺口流出。缺口封堵段位置見圖1。

2 土工包封堵工程任務(wù)與規(guī)模

采用土工包方案對電站和泄水閘下游的下橫圍堰防滲墻缺口段進行封堵。可以壅高電站和泄水閘下游水位至機組要求的最低值27.80 m以上，使樞紐上游水位維持在35.00 m左右，改善船閘上游通航條件，保證樞紐在小流量（500 m3/s左右）下泄時船閘不斷航。同時，電站下游水位可達到最低運行水位27.80 m，保證電站和魚道正常運行。

該工程為臨時應(yīng)急工程，相應(yīng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為樞紐10 a一遇洪水，洪峰流量為12 220 m3/s。

下橫圍堰防滲墻缺口封堵堰體的級別，無專門規(guī)范可參考，參照SL 645-2013《水利水電工程圍堰設(shè)計規(guī)范（附條文說明）》和SL 623-2013《水利水電工程施工導(dǎo)流設(shè)計規(guī)范（附條文說明）》及興隆樞紐土石圍堰和施工導(dǎo)流建筑物的級別，確定下橫圍堰防滲墻缺口封堵堰體的級別為4級建筑物。

3 封堵高程三維數(shù)值模擬

3.1 封堵堰體高程要求

應(yīng)急封堵堰體高程的確定有兩個要求：① 能壅高電站和泄水閘下游水位滿足電站運行下游最低水位（高程27.80 m）要求；② 電站和泄水閘下游為最低水位（高程27.80 m）時，在過魚季節(jié)（5～8月）能滿足過魚要求。

3.2 三維數(shù)值模型

通過建立興隆水利樞紐電站下游三維模型，進行三維數(shù)值模擬研究，對比分析不同工況下的下游水深、流速及流場的變化情況，研究提升魚道進口適應(yīng)水位變化和電站發(fā)電水位要求的可行性技術(shù)措施，找出封堵堰體的合理高程和上下游水頭差及缺口處的最大流速范圍。

3.2.1 基本控制方程

在數(shù)值模擬迭代計算中選擇k-ε模型的RNG模式，模型控制方程如下：

（1） 連續(xù)方程。

ρt+x（uρ）+y（vρ）+z（wρ）=RSOR+RDIF（1）

式中：u，v，w為流體速度，m/s；ρ為流體密度，kg/m3；RSOR為質(zhì)量源項；RDIF為紊流擴散項。

對于不可壓縮流，上式可表示為

ux+vy+wz=RSORρ（2）

（2） 動量方程。

ut+1VFuAxux+vAyuy+wAzuz=－1ρPx+Gx－1ρΔτx－Ku－RSORρu－Fx（3）

vt+1VFuAxvx+vAyvy+wAzvz=－1ρPy+Gy－1ρΔτy－Kv－RSORρv－Fy（4）

wt+1VFuAxwx+vAywy+wAzwz=－1ρPz+Gz－1ρΔτz－Kw－RSORρw－Fz（5）

式中：VF為網(wǎng)格中有流體經(jīng)過時被占據(jù)的體積與網(wǎng)格總體積之比；Ax，Ay，Az為流體在x，y，z方向通過網(wǎng)格所占面積與網(wǎng)格總面積之比；u，v，w為流體速度，m/s；P為流體壓力，N；G為流體當(dāng)?shù)刂亓?，N；τ為黏滯應(yīng)力，N/m2；K為由擋板或其他障礙所產(chǎn)生的拖拽力，N；F為作用在流體上的其他質(zhì)量力，N。

（3） K方程。

kt+ujkxj=vtuixj+ujxiuiuj+xjakvεffkxj－ε（6）

式中：k為湍動能，m2/s2；ε 為湍動能耗散率，%；ak=0.719 4；vεff=vt1+ cμkμ ε2，cμ=0.085，μ為動力黏滯系數(shù)，N·s/m2。

（4） ε方程。

εt+ujεxj=cε1εkvtuixj+ujxiuixj+xjaεvεffεxj－cε2ε2k－R（7）

式中：vt為過流黏滯系數(shù)，Pa·s；R=cμη3ηη0ε21+c3η3k，η0=4.38η= uixj+ujxiuiujkε，η為湍流分區(qū)判別系數(shù)；cε1=1.42，cε2=1.68，c3=0.012，aε=0.719 4。

3.2.2 計算方法

VOF（Volume of Fluid）法是用于求解黏性、不可壓縮流體的一種數(shù)值方法，并要求流動具有自由液面、適用于兩種及以上互不相融流體間交界面的跟蹤計算。對每一相引入體積分?jǐn)?shù)變量αq，通過求解每一控制單元內(nèi)體積分?jǐn)?shù)值確定相間界面。設(shè)某一控制單元內(nèi)第q相體積分?jǐn)?shù)為αq（0≤αq≤1）。當(dāng)αq=0時，表示控制單元內(nèi)無第q相流體；αq=1時，表示控制單元內(nèi)全部為第q相流體；0＜αq＜1時，表示控制單元包含流體交界面。對于單個控制單元來說，內(nèi)部各相體積分?jǐn)?shù)之和等于1，即

∑nq=1αq=1（8）

αq應(yīng)滿足以下方程：

αqt+UiαqXi=0（9）

式中：Xi表示x，y，z三個方向。

計算中所有控制單元表面體積通量的計算采用隱式差分格式，即

αn+1q-αnqΔtV+∑（Un+1fαn+1q，f）=0（10）

式中：n+1為當(dāng)前時間步指示因子；n為前一時間步指示因子；αq，f為控制單元表面第q相流體體積分?jǐn)?shù)計算值；V為單元控制體體積；Uf為求解的控制單元表面體積通量。

3.2.3 計算范圍及邊界條件設(shè)置

利用三維數(shù)值模擬對下游流場進行模擬計算，計算范圍由電站尾水處至下游700 m，采用立方體網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為1 m×1 m×1 m，共計883萬個計算網(wǎng)格，計算范圍模型如圖2所示。

計算中給定圍堰防滲墻缺口段應(yīng)急封堵高程及電站下泄流量，并按照水位流量關(guān)系曲線給出不同堰體（樞紐）下游水位，通過計算得出應(yīng)急封堵堰體上游水位。計算邊界設(shè)置為上游流量邊界（Xmin），賦予機組發(fā)電流量；下游邊界為壓力邊界（Xmax），給定水位條件；右邊界為固壁邊界（Ymin），左邊界為對稱邊界（Ymax）；底部邊界為固壁邊界（Zmin），頂部邊界為壓力邊界（Zmax），相對壓力值為0，并將fluid fraction設(shè)為0，表示邊界處單元控制體內(nèi)無液體，模型計算邊界如表1所示。數(shù)值計算中水流溫度為20 ℃，密度1 000 kg/m3，黏性系數(shù)0.001 kg/（m·s），重力加速度-9.81 m/s2，混凝土糙率0.014，河床糙率采用平原地區(qū)河流值0.035。

4 計算工況及結(jié)果

興隆水利樞紐枯水季節(jié)最小下泄流量不應(yīng)小于500 m3/s。三維數(shù)值模擬計算時，給出下泄流量及該流量對應(yīng)的下游水位，計算出堰體上游的水位。

4.1 下游防滲墻缺口段不封堵

下游防滲墻缺口段不封堵，發(fā)電流量為500 m3/s，防滲墻缺口長164 m。

（1） 防滲墻下游水位27.30 m，通過計算，防滲墻上游水位為27.37 m；防滲墻缺口流速均小于1.5 m/s，魚類可以順利上溯，但上游水位低于27.80 m，不滿足電站運行下游最低水位（高程27.80 m）要求。

（2） 防滲墻下游水位27.50 m，通過計算，防滲墻上游水位27.56 m；防滲墻缺口流速基本小于1.5 m/s，缺口主流處局部流速超過1.5 m/s，可滿足過魚要求，但上游水位低于27.80 m，不滿足電站運行下游最低水位（高程27.80 m）要求。

（3） 防滲墻下游水位28.00 m，通過計算，防滲墻上游水位28.07 m；防滲墻缺口流速基本小于0.9 m/s，可滿足過魚要求，上游水位高于27.80 m，滿足電站運行下游最低水位（高程27.80 m）要求。

防滲墻下游水位27.30，27.50 m和28.00 m時流速分布圖分別如圖3～5所示。

4.2 防滲墻缺口段應(yīng)急封堵處理后

根據(jù)2020～2022年工程運行實測水位資料，進行水位-流量關(guān)系曲線擬合，當(dāng)下泄流量500 m3/s時，對應(yīng)下游水位為26.90 m，缺口封堵段長均為164 m。針對該運行條件開展不同防滲墻缺口段封堵高程（27.00～27.80 m）的數(shù)值模擬計算，計算邊界條件見表2。

（1） 工況1。假設(shè)堰體頂高程27.00 m，通過計算得出封堵堰體上游水位達到28.21 m，封堵堰體下游全部區(qū)域流速均達到4.0 m/s，超過魚類游泳能力，并且封堵堰體上下游存在一定的集中水頭差，魚類難以通過封堵堰體位置上溯，如圖6紅色區(qū)域為流速4.0 m/s以上的區(qū)域。

（2） 工況2。假設(shè)堰體頂高程27.30 m，通過計算封堵堰體上游水位為28.27 m，封堵堰體下游部分區(qū)域流速達到4.0 m/s以上，且封堵堰體上下游存在一定的集中水頭差，魚類難以通過封堵堰體位置上溯，如圖7所示。

（3） 工況3。假設(shè)堰體頂高程27.50 m，計算表明封堵堰體上游水位達到28.32 m，封堵堰體下游區(qū)域最大流速約3.2 m/s，大部分區(qū)域基本在1.6 m/s左右，但流速達到魚類上溯極限，并且封堵堰體上下游存在一定的集中水頭差，不利于魚類上溯，如圖8紅色區(qū)域分為兩部分，顏色深的流速大。

（4） 工況4。假設(shè)堰體頂高程27.80 m，計算表明封堵堰體上游水位達到28.51 m，封堵堰體下游流速相對較大，局部區(qū)域最大流速達到3.0 m/s，其余大部分流速在1.2 m/s左右。此時，水流已通過封堵堰體頂部漫流，魚類可以通過封堵堰體低流速區(qū)域上溯，圖9中，黃色區(qū)域中間的部位為低流速區(qū)。

4.3 結(jié)果分析

依據(jù)以上三維數(shù)值模擬計算結(jié)果，推薦防滲墻缺口段應(yīng)急封堵堰體高程，并確定堰體上下游水位差。

（1） 防滲墻缺口段不封堵，電站和泄水閘下游水位≥27.80 m，才能滿足過魚和發(fā)電要求，這和樞紐實際運行情況非常吻合，說明三維數(shù)值模擬計算結(jié)果的合理性。

（2） 防滲墻缺口段進行應(yīng)急封堵，封堵高程既要滿足發(fā)電要求同時也要滿足過魚要求：當(dāng)下泄流量500 m3/s，應(yīng)急封堵寬度164 m，隨缺口封堵高程增加，封堵堰體上游的水位在壅高，可滿足發(fā)電要求。同時，封堵堰體下游局部區(qū)域最大流速減小，魚類可以通過封堵堰體低流速區(qū)域上溯，最后得到合適的缺口封堵高程。計算結(jié)果顯示，應(yīng)急封堵高程在27.00 m以上均能滿足發(fā)電要求，當(dāng)27.00 m≤應(yīng)急封堵高程≤27.50 m時，不能滿足過魚要求，當(dāng)27.50 m＜應(yīng)急封堵高程≤27.80 m時，過魚和發(fā)電均能滿足要求?？紤]到河床下切和極端干旱天氣的影響，推薦防滲墻缺口段應(yīng)急封堵高程為27.80 m。

（3） 防滲墻缺口段應(yīng)急封堵工程頂寬按經(jīng)驗選定為10 m，上、下游坡比均為1∶3。應(yīng)急封堵處理后，封堵堰體高程為27.80 m，封堵堰體上游水位≥27.80 m，封堵堰體下游游水位≤27.80 m，遇2022年特殊干旱年份，5～8月過魚季節(jié)過魚保證率80%以上，枯水期，應(yīng)急封堵后封堵堰體擋水3 m左右。

5 土工包方案布置

在下游橫向圍堰的缺口處拋填土工包［7］，土工包拋填前，在現(xiàn)地面表面鋪設(shè)一層300 g/m2加筋條、系結(jié)條的土工布，拋填土工包形成頂高程為27.80 m、頂寬為10 m、迎水坡和背水坡坡比均為1∶3的堰體。土工包堰體典型斷面如圖10所示。

堰體上游高程21.00 m處，設(shè)10 m寬的壓重平臺，壓重平臺以下的迎水坡坡比仍為1∶3。在距上游坡面垂直距離2 m左右沿坡面鋪設(shè)一層復(fù)合土工膜防滲，在坡頂和坡腳處將土工膜延長回折，使土工膜盡可能地被土工包壓緊，復(fù)合土工膜采用兩布一膜（250 g/0.5 mm/250 g）。

堰體下游高程21.00 m處，拋填袋裝砂防沖護坡，拋填的袋裝砂形成15 m寬平臺，平臺以下坡比為1∶2.5，袋裝砂的單袋重量控制在150 kg以上，袋裝砂在土工包實施完后再拋填。

拋填長度除缺口段的164 m外，向左延伸10 m，共174 m。拋填時，從“溜槽”的底部開始，排列整齊，無較大縫隙，上下錯縫。拋填時應(yīng)防止出現(xiàn)局部堆積或缺失，拋填均勻。

填筑堰體用的土工包的平面尺寸取4 m×8 m，管袋內(nèi)充填粉細砂，成型厚度50 cm，粒徑大于0.075 mm的顆粒含量應(yīng)大于50%，黏粒含量應(yīng)小于10%。

防沖用的袋裝砂平面尺寸取0.7 m×1.0 m，單袋重量控制在150 kg以上，袋內(nèi)充填中粗砂，粒徑大于0.25 mm的顆粒含量應(yīng)大于50%，黏粒含量應(yīng)小于5%。

土工包的袋布［8］采用防老化的聚丙烯裂膜絲機織土工布（加內(nèi)襯）縫制，袋裝砂袋布采用聚丙烯裂膜絲土工布縫制。

6 抗滑穩(wěn)定計算

6.1 施工期單個包袋的抗滑穩(wěn)定計算

樞紐下泄的流量不大于12 220 m3/s，通過材料力學(xué)、三維數(shù)值模擬計算綜合分析比較，找到封堵位置的最大流速（3.5 m/s）。根據(jù)缺口段的最大流速，按GB 50286-2013《堤防工程設(shè)計規(guī)范》計算土工包及袋裝砂的重量。綜合計算結(jié)果，并考慮土工包穩(wěn)定因素［9-10］，最終確定封堵土工包平面尺寸為4 m×8 m，封堵堰體下游的防沖護坡袋裝砂的單袋重量為150 kg以上。

6.2 土工包堰體整體抗滑穩(wěn)定計算

（1） 當(dāng)27.80 m≤封堵堰體下游水位≤38.53 m時，670 m3/s≤樞紐下泄的流量≤12 220 m3/s，整個堰體淹沒在水里，封堵堰體開始頂部過流、泄水，除了水流力作用外，沒有其他水平荷載作用。

（2） 當(dāng)封堵堰體下游水位＜27.80 m時，樞紐下泄的流量＜670 m3/s，封堵堰體開始擋水。由三維數(shù)值模擬知，防滲墻缺口段應(yīng)急封堵后，封堵堰體上下游水位的高差不超過3 m，按3 m水頭差計算封堵堰體的抗滑穩(wěn)定。

根據(jù)SL 645-2013《水利水電工程圍堰設(shè)計規(guī)范》要求，封堵堰體的抗滑穩(wěn)定按抗剪強度計算公式計算，堰體基底面與地基之間的抗剪摩擦系數(shù)一般由試驗確定，但由于該工程是應(yīng)急工程，沒有試驗時間，查相關(guān)資料選取抗剪摩擦系數(shù)f=0.30。

封堵堰體抗滑穩(wěn)定和基底應(yīng)力計算結(jié)果見表3。

封堵堰體為4級建筑物。計算表明，在擋水工況和洪水工況下，封堵堰體基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)等各項指標(biāo)滿足SL 645-2013《水利水電工程圍堰設(shè)計規(guī)范》要求。

7 工程實施情況

工程于2023年9月基本完工，期間經(jīng)歷漢江秋汛，洪峰流量13 600 m3/s，大于設(shè)計最大流量12 220 m3/s。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示土工包封堵堰體基本完好無損。

工程實施情況證明：運用土工包應(yīng)急封堵，可以充分利用當(dāng)?shù)夭牧?，具有施工速度快、柔性大，適合河床變形性能好，節(jié)省工程投資及加強工程環(huán)保等方面的優(yōu)點，能有效地避免了常規(guī)拋石或石渣封堵對環(huán)境和施工進度等帶來的不利影響［11］。

8 結(jié) 語

本文對興隆水利樞紐下模圍堰具有擋、泄水功能的土工包封堵堰體進行設(shè)計，確定了堰體高程、上下游水頭差及缺口段流速，并對封堵堰體進行穩(wěn)定分析。設(shè)計成果和工程經(jīng)驗可為類似工程的設(shè)計提供技術(shù)支撐。

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（編輯：李 慧）

Research on emergency design of earthwork blocking weir body of lower transverse cofferdam of Xinglong Water Conservancy Project

WANG Gaihui1，WANG Haochen2，ZHANG Wenchuan1，ZHANG Diandian1

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China； 2.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China）

Abstract：

In order to solve the technical difficulties in the design of earthwork blocking weir with the function of retaining and releasing water，the design of emergency construction of transverse cofferdam embankment at downstream of Xinglong Water Conservancy Project was taken as an example. Based on the three-dimensional numerical simulation method and the requirements of fish migration，the design concepts and methods of the main technical parameters such as the height of the blocking weir body，head difference between upstream and downstream，velocity of the notch section and the stability of the blocking weir body were analyzed. The recommended weir height for the barrage was 27.80 meters. The results showed that the blocking weir body was basically intact during and after the Autumn flood season of Hanjiang River. The drainage function of earthwork blocking weir body was innovative and practical，which can provide a technical support and application demonstration for the design of similar projects.

Key words：

earthwork package embankment； three-dimensional numerical simulation； blocking weir body； Xing-long Water Conservancy Project